Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка квантовых сенсоров на основе карбида кремния и создание диагностического приборного комплекса для сканирующей магнитометрии и термометрии

Номер контракта: 14.604.21.0083

Руководитель: Баранов Павел Георгиевич

Должность руководителя: заведующий лабораторией

Докладчик: Солтамов Виктор Андреевич, научный сотрудник

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
микроскопия, конфокальная микроскопия, электронный парамагнитный резонанс, оптически-детектируемый магнитный резонанс, карбид кремния, сенсорика, магнитометрия, термометрия

Цель проекта:
Основной целью проекта является разработка квантовых сенсоров магнитного поля и температуры на базе парамагнитных оптически активных центров в карбиде кремния и создание сканирующего конфокального оптического спектрометра магнитного резонанса для исследования наноструктур и биологических объектов с высоким пространственным разрешением разрешением. Таким образом, задачи проекта, которые необходимо решить, следующие: 1) Поиск функциональных дефектов в карбиде кремния, обладающих уникальными свойствами оптически индуцированной спиновой поляризации, позволяющих регистрировать оптически-детектируемый магнитный резонанс (ОДМР) при комнатных температурах, так называемых «ОДМР-центров». Разработка на их основе сенсоров магнитного поля и температуры с нанометровым пространственным разрешение. Оптимизация технологии получения высоких плотностей функциональных дефектов в объемных материалах и наноструктурах на их основе, включая материалы с измененным изотопным составом. 2) Разработка и создание сканирующего микроскопа, совмещающего магнитный резонанс с конфокальным микроскопом для реализации функциональных возможностей квантовых сенсоров по измерению магнитных полей и температур с нанометровым пространственным разрешением на базе карбида кремния.

Основные планируемые результаты проекта:
1. Будет разработан сканирующий оптический конфокальный спектрометр магнитного резонанса (Спектрометр) нового поколения, работающий в ближнем инфракрасном оптическом диапазоне и микроволновом диапазоне, имеющий опции магнетометра и термометра с нанометровым разрешением для исследования наноструктур и биологических объектов.
2. Будет разработан новый способ исследования объектов карбид кремниевой сенсорики на базе оптического спектрометра магнитного резонанса.
3. Будет разработан способ изготовления квантовых сенсоров магнитных полей на основе ОДМР-центров в карбиде кремния.
4. Будет разработан способ изготовления квантовых сенсоров температуры на основе ОДМР-центров в карбиде кремния.
4. Будет разработана программа экспериментов по проведению диагностики образцов SiC с точки зрения их применимости для разработки сенсоров на их основе.
5. Будут изготовлены экспериментальные образцы карбида кремния и наноструктуры на его основе, обладающие характеристиками необходимыми для использования в качестве квантовых сенсоров магнитных полей и температуры. Чувствительность квантовых сенсоров магнитных полей лежит в диапазоне нескольких нанотесла. Пространственное разрешение при этом является субмикронным. Предельная чувствительности квантовых сенсоров температуры лежит в диапазоне 100 милликельвильн на корень квадратный из Герц.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Конечным продуктом проекта являются сенсоры магнитных полей и температуры на базе ОДМР-центров в карбиде кремния и конфокальный оптический спектрометр магнитного резонанса, оптимизированный для исследования свойства ОДМР-центров в карбиде кремния.
В ходе работ по проекту были предложены методы измерений магнитных полей и температуры на базе ОДМР-центров в SiC, не имеющих в мире аналогов. В частности была показана возможность регистрации магнитных полей с предельной чувствительностью в 100 фемтотесла без приложения резонансного радиочастотного поля, за счет использования высокоспинового электронного состояния вакансионных кремниевых центров (VSi) в SiC, что выгодно отличается от классических методов квантовой магнитометрии с оптической накачкой. Суть метода заключается в использовании явления антипересечения спиновых подуровней VSi центров для регистрации сигнала оптически детектируемого магнитного резонанса. Таким образом удалось максимально упростить методику измерения магнитных полей. Показано так же, что расщепление спиновых подуровней VSi центров в возбужденном состоянии и в нулевом магнитном поле сильно зависит от температуры. Максимальный температурный сдвиг сигнала ОДМР в возбужденном состоянии оценивается по порядку величины как 1 Мегагерц на Кельвин при температуре T= 300K. Что приводит к чувствительности 1 Кельвин на корень квадратный из Герц. Для сравнения, NV- дефект в алмазе, считающийся самым перспективным в области твердотельной квантовой сенсорики, характеризуется чувствительностью в 14 раз меньшей. Одной из основных задач проекта является идентификация ОДМР-центров в SiC, иными словами установление кристаллографической модели центра, его спиновых и оптических характеристик. В ходе работ по проекту было показано, что модель VSi ОДМР-центров представляет собой отрицательно заряженную вакансию кремния, возмущенную нейтральной вакансией кремния. Использование ОДМР-центров в магнитометрии высокого пространственного разрешения обусловлено тем на сколько миниатюрный сенсор можно изготовить в предельном случае. Нами было показано, что в плоть до субмикронных размеров кристаллческой матрицы ОДМР-центры сохраняют свои свойства. О том, что вышеописанные результаты соответствуют международному уровню исследований и во многом превосходят его свидетельствует то, что вышеописанные результаты опубликованы и приняты к публикации в таких высокорейтинговых журналах как Physical Review Letters "Optically addressable silicon vacancy-related spin centers in rhombic silicon carbide with high breakdown characteristics and ENDOR evidence of their structure" (https://journals.aps.org/prl/accepted/c6074Y63Sba15b55b4be7a522412141770b25116f), Appl. Phys. Lett. 105, 243112 (2014) "Room-temperature near-infrared silicon carbide nanocrystalline emitters based on optically aligned spin defects", Physical Review Applied 4, 014009 (2015) "High precision angle-resolved magnetometry with uniaxial quantum centers in silicon carbide".
Для достижения запланированных в проекте результатов необходимо провести работы по разработке и доработке конфокального оптического спектрометра магнитного резонанса, оптимизацию способов создания ОДМР-центров в карбиде кремния для целей магнитометрии и термометрии.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
Основные области применения Спектрометра и квантовых сенсоров на базе ОДМР-центров в SiC :
решение проблемы магнитометрии с наноразмерным разрешением (nanoscale imaging magnetometry) для получения внутриклеточного спинового (электронного и ядерного) изображения, наноразмерное зондирование магнитных полей нейронов, белков, создание биометок и т.д.. Разрешение проблем сверхлокального контроля температур, за счет использования субмикронных зондов из карбида кремния. Контроль направленной имплантации, позиционирования, химической природы от-дельных примесных атомов (например, фосфор, мышьяк, азот, бор, алюминий в полу-проводниковых структурах Si, SiC, алмаз) при создании приборов микроэлектроники, спинтроники. На всех стадиях реализации проекта планируется привлечение студентов, аспирантов и молодых исследователей в работы, с целью подготовки кадрового резерва, установление практического взаимодействия между научно-исследовательскими подразделениями академических институтов и высшей школы.
Перспективы внедрения полученных результатов можно разделить на два класса - перспектива создания нового приборного комплекса для изучения спиново-оптических свойств ОДМР-центров в карбиде кремния. Данное направлений исследований развивается в мире быстрыми темпами, о чем свидетельствует рост числа публикаций по этой тематики в ведущих научных журналах. Второе направление внедрения результатов ПНИ может найти место в биологии и медицине, при исследовании процессов протекающих на клеточном уровне и требующих высокого локального контроля. Оценка влияния проводимых исследований и их результатов на развитие исследований в рамках международного сотруднечества может быть проведена на основании того, что в 2015 году по тематике проекта была создана отдельная конференция, посвященная ОДМР-центрам в карбиде кремния и построению новых приборов сенсорики и спинтроники на их основе - 1st International Symposium on SiC Spintronics (https://www.ifm.liu.se/materialphysics/semicond/1st-sic-spintronics/).

Текущие результаты проекта:
Был проведен аналитический обзор литературы и патентный поиск, позволяющие более детально провести комплексный анализ проблемной области проекта, обосновать и выбрать оптимальное направление проведения ПНИ. В ходе первого этапа были разработаны методы оптического детектирования магнитного резонанса по люминесценции в диапазоне 1 МГц – 4 ГГц. Данный частотный диапазон является оптимальным для использования магнитооптических свойств дефектов в карбиде кремния. Были определены требования к экспериментальным образцам для калибровки спектрометра. В качестве образцов было предложено использовать хорошо исследованные «модельные» центры – азотно-вакансионные (NV) дефекты в алмазах. Для калибровки принципиальным является установление ориентация NV дефектов в алмазе. Результаты разработки требований легли в основу поданной заявки на патент. Были проведены работы, направленные на определение наиболее подходящих параметров изготовления карбида кремния. Были выполнены работы по изготовлению образцов и проведена их характеризация методами фотолюминесценции и электронного парамагнитного резонанса. Установлено, с повышением степени компенсации мелких донорных примесей эффективность создания вакансионных кремниевых центров с характерной флуоресценцией в ближнем ИК диапазоне возрастает. Был обозначен круг проблем, которые необходимо решить для создания сенсоров, а также разработаны подходы к регистрации магнитных полей и температур. Были проведены работы по созданию и идентификация ОДМР-центров в карбиде кремния, в том числе, были исследованы процессы создания вакансионных ОДМР-центров в монокристаллах карбида кремния путем их облучения электронами и нейтронами различными флюенсами и энергиями. Идентификация ОДМР-центров была проведена методами спектроскопии электронного парамагнитного резонанса, и производными от него методами, такими как высокочастотное спиновое эхо, двойной электронно-ядерный резонанс. Было установлено, что модель вакансионных ОДМР-центров представляет собой вакансию кремния в отрицательном зарядовом состоянии с электронным спином S= 3/2 и не парамагнитную вакансию углерода в нейтральном зарядовом состоянии, которая является источником искажения кристаллической решетки, приводящего к появлению кристаллического поля. Были зарегистрированы спектры фотолюминесценции и проведен их анализ. Были установлены оптимальный тип облучения, диапазон энергий облучающих частиц и флюенс для создания ОДМР-центров. А именно было показано, что наиболее оптимальный тип облучения – это высокоэнергетические электроны с энергиями в диапазоне от 0.9 МэВ до 2 МэВ в зависимости от степени легирования образца донорными примесями. Было показано, что оптимальный флюенс облучения для создания ОДМР-центров в высокой концентрации лежит в пределах от 1017 см-2 до 1018 см-2. Показано, что облучение кристаллов реакторными нейтронами приводит к нарушению стехиометрического совершенства кристаллической решетки, что негативно влияет на применимость данного метода для создания ОДМР-центров – квантовых сенсоров магнитных полей и температуры. Был проведен изотермический отжиг облученных образцов карбида кремния с целью повышения эффективности создания вакансионных кремниевых ОДМР – центров и квантового выхода флуоресценции ОДМР-центров. Отжиг проводился в температурном диапазоне от 1000С до 10000С. Были проведены исследования отожженых образцов карбида кремния методом фотолюминесценции и показано, что оптимальная температура отжига, приводящая к повышению концентрации ОДМР-центров находится в диапазоне 5500С±500С. Показана, что температура разрушения ОДМР-центров является высокой и лежит в диапазоне T= 7500C - 8000C. На основании результатов, полученных на первом этапе работ по проекту и пунктов 2.1 – 2.2 были изготовлены экспериментальные образцы карбида кремния с нормальным и измененным изотопным составом, содержащих ОДМР-центры в заданной концентрации для настройки и калибровки Спектрометра. Была проведена работа по разработке спектрометра, в том числе основных принципов интеграции основных модулей, входящих в состав спектрометра.
По результатам работ по проекту был получен один патент, проведены дополнительные патентные исследования, направленные на исследования патентоспособности полученных результатов, опубликовано 5 статей и одна статья принята к публикации.
Была Разработана лабораторная методика изготовления экспериментальных образцов карбида кремния с нормальным и измененным изотопным составом, содержащих ОДМР-центры в заданной концентрации для настройки и калибровки Спектрометра. Методика включает в себя описание ростового процесса образцов карбида кремния, характеризации выращенных образцов методом рамановской спектроскопии, процедуру введения ОДМР-центров в кристаллическую матрицу и оптимизацию концентрации ОДМР-центров. Проведены работы по разработке требований к совместимости программного обеспечения регистрации спектров магнитного резонанса и спектров фотолюминесценции, регистрируемых по оптическому каналу спектрометра. Проведены исследования, направленных на определение степени эффективности регистрации фотолюминесценции ближнего инфракрасного диапазона (ИК) на различные типы детекторов. Показано, что наиболее эффективный способ регистрации спектров возможен на кремниевый фотодиод. Установлено, что кремниевая ПЗС матрица и линейный ИК детектор на основе InGaAs искажают спектры ФЛ ОДМР-центров. Предложены оптимальные варианты детекторов для регистрации сигналов фотолюминесценции и оптически детектируемого магнитного резонанса. Был проведен отбор ОДМР-центров, оптимальных для целей магнитометрии и термометри, показано, что оптимальными центрами являются вакансионные кремниевые центры. Создан прототип макета Спектрометра. Была определена степень оптической поляризации ОДМР-центров в карбиде кремния – показано, что она составляет величину 1.5 процента. Разработана трехуровневая схема оптической накачки, приводящей к выстраиванию спиновых подуровней вакансионных кремниевых центров в карбиде кремния. Были исследование основных характеристик ОДМР-центров в карбиде кремния, необходимых для создания на их основе сенсоров температуры, в том числе и продемонстрирована возможность последнего. Была разработана лабораторная методика проведения термометрических измерений с использованием сенсоров температуры в виде экспериментальных образцов карбида кремния, содержащих ОДМР-центры, для термометрии.